Технологии Ethernet по витой паре используют кабели витой пары для физического уровня компьютерной сети Ethernet . Они являются подмножеством всех физических уровней Ethernet .
Ранний Ethernet использовал различные сорта коаксиального кабеля , но в 1984 году StarLAN продемонстрировал потенциал простой неэкранированной витой пары . Это привело к разработке 10BASE-T и его преемников 100BASE-TX , 1000BASE-T , 10GBASE-T и 40GBASE-T , поддерживающих скорости 10 и 100 мегабит в секунду , затем 1, 10 и 40 гигабит в секунду соответственно. [а]
Два новых варианта Ethernet со скоростью 10 Мбит/с по одной витой паре, известные как 10BASE-T1S и 10BASE-T1L , были стандартизированы в стандарте IEEE Std 802.3cg-2019. [2] 10BASE-T1S зародился в автомобильной промышленности и может быть полезен в других приложениях на коротких расстояниях, где присутствуют значительные электрические шумы. [3] 10BASE-T1L — это Ethernet на большие расстояния, поддерживающий соединения длиной до 1 км. Оба эти стандарта находят приложения, реализующие Интернет вещей . 10BASE-T1S является прямым конкурентом CAN XL в автомобильной сфере и включает в себя схему предотвращения столкновений на физическом уровне (PLCA). [4]
В более ранних стандартах используются модульные разъемы 8P8C , [b] и поддерживаются стандарты кабелей от категории 3 до категории 8 . Эти кабели обычно имеют четыре пары проводов для каждого соединения, хотя ранний Ethernet использовал только две пары. В отличие от более ранних стандартов -T, интерфейсы -T1 были разработаны для работы по одной паре проводников и предусматривают использование двух новых разъемов, называемых IEC 63171-1 [5] и IEC 63171-6. [6]
Первыми двумя ранними проектами сетей на основе витой пары были StarLAN , стандартизированный Ассоциацией стандартов IEEE как IEEE 802.3e в 1986 году, со скоростью один мегабит в секунду [7] и LattisNet , разработанный в январе 1987 года, со скоростью 10 мегабит в секунду. [8] [9] Оба были разработаны до появления стандарта 10BASE-T (опубликованного в 1990 году как IEEE 802.3i) и использовали разные сигналы, поэтому они не были с ним напрямую совместимы. [10]
В 1988 году AT&T выпустила StarLAN 10, названную в честь работы со скоростью 10 Мбит/с. [11] Сигнализация StarLAN 10 использовалась в качестве основы 10BASE-T с добавлением такта канала для быстрого указания состояния соединения. [с]
Использование витой пары в топологии «звезда» позволило устранить несколько недостатков предыдущих стандартов Ethernet:
Хотя сегодня 10BASE-T редко используется в качестве скорости передачи сигналов при нормальной работе, он все еще широко используется с контроллерами сетевых интерфейсов в режиме пробуждения по локальной сети с отключением питания, а также для специальных приложений с низким энергопотреблением и низкой пропускной способностью. 10BASE-T по-прежнему поддерживается большинством портов Ethernet по витой паре со скоростью до Gigabit Ethernet .
Общие названия стандартов происходят от аспектов физических носителей. Ведущее число ( 10 в 10BASE-T) относится к скорости передачи в Мбит/с. BASE означает, что используется передача в основной полосе частот . Буква T обозначает кабель витая пара. Если существует несколько стандартов для одной и той же скорости передачи , они различаются буквой или цифрой после T, например TX или T4 , что указывает на метод кодирования и количество полос. [13]
Большинство кабелей Ethernet подключаются «прямо» (контакт 1 к контакту 1, контакт 2 к контакту 2 и т. д.). В некоторых случаях по-прежнему может потребоваться « перекрестная » форма (прием для передачи и передача для приема).
Кабели для Ethernet могут быть подключены к стандартам концевой заделки T568A или T568B на обоих концах кабеля. Поскольку эти стандарты отличаются только тем, что они меняют местами две пары, используемые для передачи и приема, кабель с проводкой T568A на одном конце и проводкой T568B на другом образует перекрестный кабель.
Хост 10BASE-T или 100BASE-TX использует соединительную проводку, называемую интерфейсами, зависящими от среды (MDI), которая передает данные на контакты 1 и 2 и принимает данные на контакты 3 и 6 на сетевое устройство. Узел инфраструктуры ( концентратор или коммутатор ) соответственно использует соединительную проводку, называемую MDI-X, передачу данных на контакты 3 и 6 и прием на контакты 1 и 2. Эти порты подключаются с помощью прямого кабеля , поэтому каждый передатчик взаимодействует с ресивер на другом конце кабеля.
Узлы могут иметь два типа портов: MDI (порт восходящей линии связи) или MDI-X (обычный порт, «X» для внутреннего кроссовера). Концентраторы и коммутаторы имеют обычные порты. Маршрутизаторы, серверы и конечные хосты (например, персональные компьютеры ) имеют порты восходящей связи. Если необходимо соединить два узла с портами одного и того же типа, может потребоваться перекрестный кабель, особенно для более старого оборудования. Для подключения узлов, имеющих порты разных типов (т. е. от MDI к MDI-X и наоборот), требуется прямой кабель. Таким образом, для подключения конечного хоста к концентратору или коммутатору требуется прямой кабель. Некоторые старые коммутаторы и концентраторы имели кнопку, позволяющую порту работать либо как обычный (обычный), либо как порт восходящей линии связи, т. е. используя распиновку MDI-X или MDI соответственно.
Многие современные хост-адаптеры Ethernet могут автоматически обнаруживать другой компьютер, подключенный с помощью прямого кабеля, а затем при необходимости автоматически подключать необходимый кроссовер; если ни один из адаптеров не имеет такой возможности, потребуется перекрестный кабель. Большинство новых коммутаторов имеют автоматический MDI-X на всех портах, что позволяет выполнять все соединения с помощью прямых кабелей. Если оба подключаемых устройства поддерживают 1000BASE-T по стандартам, они будут подключаться независимо от того, используется ли прямой или перекрестный кабель. [14]
Передатчик 10BASE-T передает два дифференциальных напряжения: +2,5 В или –2,5 В. Передатчик 100BASE-TX передает три дифференциальных напряжения: +1 В, 0 В или –1 В. [15] В отличие от более ранних стандартов Ethernet, использующих широкополосный и коаксиальный кабель , такой как 10BASE5 (толстый) и 10BASE2 (тонкий), 10BASE-T не определяет точный тип используемой проводки, но вместо этого указывает определенные характеристики, которым должен соответствовать кабель. Это было сделано в ожидании использования 10BASE-T в существующих системах проводки витой пары, которые не соответствовали ни одному из установленных стандартов проводки. Некоторые из указанных характеристик - это затухание , характеристический импеданс , задержка распространения и несколько типов перекрестных помех . Широко доступны кабельные тестеры для проверки этих параметров и определения возможности использования кабеля с 10BASE-T. Ожидается, что этим характеристикам будут соответствовать 100 метров неэкранированной витой пары диаметром 24 калибра . Однако при использовании высококачественных кабелей часто можно получить надежные кабели длиной 150 метров и более, и технические специалисты, знакомые со спецификацией 10BASE-T, считают это возможным. [ нужна цитата ]
100BASE-TX использует ту же схему подключения, что и 10BASE-T, но более чувствителен к качеству и длине провода из-за более высокой скорости передачи данных .
1000BASE-T использует все четыре пары двунаправленно, используя гибридные схемы и компенсаторы . [16] Данные кодируются с использованием 4D-PAM5; четыре измерения с использованием амплитудно-импульсной модуляции (PAM) с пятью напряжениями : -2 В, -1 В, 0 В, +1 В и +2 В. [17] Хотя на выводах может появиться от +2 В до -2 В линейного драйвера напряжение на кабеле номинально составляет +1 В, +0,5 В, 0 В, −0,5 В и −1 В. [18]
И 100BASE-TX, и 1000BASE-T были разработаны с учетом требований кабеля как минимум категории 5 , а также с указанием максимальной длины кабеля 100 метров (330 футов). Кабель категории 5 с тех пор устарел, и в новых установках используется категория 5e.
Для работы 10BASE-T и 100BASE-TX требуются только две пары (контакты 1–2, 3–6). Поскольку обычный кабель категории 5 имеет четыре пары, можно использовать запасные пары (контакты 4–5, 7–8) в конфигурациях со скоростью 10 и 100 Мбит/с для других целей. Запасные пары можно использовать для питания через Ethernet (PoE), для двух линий старой телефонной связи (POTS) или для второго соединения 10BASE-T или 100BASE-TX. На практике необходимо проявлять особую осторожность при разделении этих пар, поскольку оборудование Ethernet 10/100 Мбит/с электрически завершает неиспользуемые контакты («терминация Боба Смита»). [19] Общий кабель не подходит для Gigabit Ethernet, поскольку для работы 1000BASE-T требуются все четыре пары.
В дополнение к более компьютерно-ориентированным двух- и четырехпарным вариантам однопарные физические уровни Ethernet 10BASE-T1 , [20] 100BASE-T1 [21] и 1000BASE-T1 [22] предназначены для промышленных и автомобильных приложений [ 23] или в качестве дополнительных каналов данных в других приложениях межсоединения. [24] Расстояния, на которых одна пара работает в полнодуплексном режиме, зависят от скорости: 1000 м (1 км) с 802.3cg-2019 10BASE-T1L; 15 м или 49 футов с 100BASE-T1 (тип сегмента канала A); до 40 м или 130 футов с использованием сегмента канала 1000BASE-T1 типа B с четырьмя линейными разъемами. Для обоих физических уровней требуется симметричная витая пара с сопротивлением 100 Ом. Кабель должен обеспечивать передачу на частоте 600 МГц для 1000BASE-T1 и 66 МГц для 100BASE-T1. 2,5 Гбит/с, 5 Гбит/с и 10 Гбит/с по одной паре длиной 15 м стандартизированы в 802.3ch-2020. [25] В июне 2023 года 802.3cy добавил скорость 25 Гбит/с на длине до 11 м. [26]
Подобно PoE, технология Power over Data Lines (PoDL) может обеспечить устройству мощность до 50 Вт. [27]
Стандарты Ethernet по витой паре вплоть до Gigabit Ethernet определяют как полнодуплексную , так и полудуплексную связь. Однако полудуплексный режим на гигабитной скорости не поддерживается ни одним существующим оборудованием. [29] [30] Более высокие стандарты скорости, от 2,5GBASE-T до 40GBASE-T [31] , работающие со скоростью от 2,5 до 40 Гбит/с, следовательно, определяют только полнодуплексные соединения «точка-точка», которые обычно подключаются сетевыми коммутаторами. и не поддерживают традиционную операцию CSMA/CD с общим носителем . [32]
Для Ethernet по витой паре существует множество различных режимов работы (полудуплекс 10BASE-T, полнодуплекс 10BASE-T, полудуплекс 100BASE-TX и т. д.) , и большинство сетевых адаптеров поддерживают различные режимы работы. Для установления рабочего соединения 1000BASE-T требуется автосогласование .
Когда два связанных интерфейса настроены на разные дуплексные режимы, результатом этого несоответствия дуплекса является то, что сеть работает намного медленнее, чем ее номинальная скорость. Несоответствие дуплексного режима может быть непреднамеренно вызвано тем, что администратор настраивает интерфейс на фиксированный режим (например, полнодуплексный режим 100 Мбит/с) и не может настроить удаленный интерфейс, оставляя его настроенным на автосогласование. Затем, когда процесс автосогласования завершается сбоем, полудуплексный режим принимается на стороне автосогласования канала.